平成 22 年度 建設工学
修士論文要旨平成 23 年 03 月 14 日

急速載荷試験を用いた杭の鉛直支持力算定手法に関する研究
環境防災研究室
指導教官
1. 研究の背景と目的
杭基礎の設計鉛直支持力は地盤定数と杭体の諸元に基づき算定される．その設計値の妥当性は杭の鉛直載荷試験でしか確吉田敬弘
大塚 悟，磯部公一①重錘落下用受皿と試験杭を連結させる．受皿と試験杭の間にはロードセルを設ける．
②受皿にガイドシャフトを設け，そのシャフトに重錘を沿わせかめることは出来ないが，大きな支持力が必要とされる重要構て落下させる．

造物を除いては，工期，工費の制約面から省略される場合が多重錘と受皿の間にはクッション材を設置し，急速載荷を再現い．そのため，短時間で簡便に支持力を算定できる試験装置のしている．クッション材には硬質ゴムを使用している．重錘の開発が望まれており，近年では，急速載荷試験がいくつか開発

重量は 3 kg である．

されている．

2.2. 使用土槽，模型杭の諸元

急速載荷試験の中でも，杭頭に載せた反カマスを推進剤の燃土槽は，鋼鉄製の直方体であり，寸法は，400 mm × 400 mm ×

焼ガス圧によって打ち上げ，反カマスの慣性反力を杭頭に載荷500 mm である．杭先端から土槽底面までは 150 mm であり，するスタナミック試験がある．これらの方法は，試験時間が非土槽底面が実験結果に及ぼす影響は，ほぼ無いと仮定出来る．

常に短時間であるという長所を有するが，比較的大型な杭を対土槽底面は通水のため，給排水用のパイプを設け，底板はパン象としているため試験装置が大型であり，狭隘な作業空間ではチングメタルにメッシュを張ったものを使用している．

試験を実施できない．また，燃焼圧力による動力源，重量物な模型杭はアルミ製で，肉厚 4 mm のものを用いる．杭先端はどの反力を取り扱うために，安全上の問題点や荷重載荷時間にアルミ製のキャップで閉塞されている．杭の杭径 D は，30 mm

よっては杭体の材質が制限される場合があるといった短所がであり，地盤中の根入れ長さは 250 mm (8.3 D)である． 杭先ある．そこで現在，急速載荷試験装置の動力源に圧縮空気を用端から土槽底面までは 150 mm (5.0D)である．表
表-1 に杭の諸元いた安全，軽量小型で機動性に優れた試験装置を開発している．

を示す．

本研究では，空圧式急速載荷試験装置の開発の一環として，

表-1 模型杭の諸元

急速載荷試験における杭の鉛直支持力特性の把握を目的とし，材料
杭径D [mm]
肉厚t [mm]
杭長L [mm]
根入れ長さ [mm]弾性係数E [MPa]

急速載荷試験より杭の静的支持力の算出法について検討する．
このような目的のもとに，本研究では模型試験および数値解析を実施する．まず，定性的な傾向を把握するために，模型実験(静的載荷，急速載荷)をそれぞれ行った．試験方式は重錘を落下させる FM(Falling Mass)試験方式である．
また，模型実験を 3 次元弾塑性有限要素法(FEM)によって解

2.3. 実験ケース
表-2に本模型実験の実験ケースを示す．

析し，模型実験結果と解析結果を比較することで解析モデルの表-2 模型実験のケース妥当性を確認し，急速載荷試験の解釈法として，FEM 解析がどの程度適用性があるか検討する．
2. 各載荷模型試験
本研究では，重錘を落下させることで急速載荷を行う FM(Falling Mass)試験をモデル化する．杭の静的な鉛直支持力特性の把握と，急速載荷模型試験の結果との比較のために，静的載荷模型試験も行った．以下に本章の内容を説明する．
2.1. 載荷試験の概要
・静的載荷試験
1個 1 kg の軽い錘と 15 kg の重い錘を併用し載荷していく．
載荷ペースは 1 kg とする．杭の鉛直載荷試験方法・同解説では，静的載荷試験の終了目安として杭径の10 % の変位という基準があるが，今回は用意した錘 100 kg までの載荷とした．
・急速載荷試験

アルミニウム30.0
4.0
400.0250.0
6.77×104

Case-No,
Case-1Case-2Case-3(a)Case-3(b)Case-3(c)Case-4(a)Case-4(b)Case-4(c)

載荷条件
静的載荷
急速載荷(落下高さ 15 cm)
急速載荷(落下高さ 30 cm)
急速載荷(落下高さ 45 cm)
急速載荷(落下高さ 15 cm)
急速載荷(落下高さ 30 cm)
急速載荷(落下高さ 45 cm)

地盤条件
乾燥砂
飽和砂

相対密度 [%]
91.7
87.6

乾燥砂

94.6

飽和砂

97.5

2.4. 載荷時間による杭体の波動現象に関して
急速載荷試験は，杭体に生じる波動現象を無視できる試験方法と定義されている.したがって，本急速載荷模型試験においても波動現象を扱視できるのかどうかを検討する必要がある．学会基準では載荷時間による杭体の波動現象を評価する指標として，相対載荷時間 Tr が採用されている．

Tr =tL2L cここに，要なパラメータは弾性係数 E とポアソン比 υ である．杭の諸Tr ：相対載荷時間 t L ：載荷時間，L ：杭長， c ：縦波伝播速度
縦波伝播速度 c は以下の式で表現される．

元は模型杭の諸元を与える．値を表
表-3 に示す．
表-3 FEM解析における模型杭の諸元
単位：[mm]c=250EρE ：杭体の弾性係数 ρ ：杭体の密度

ジョイント要素Es (MPa)

J104.4J95.5J86.4J77.1

J67.5J57.8J48.3J38.9J29.4J19.910.511.1

材料
杭径D [mm]
肉厚t [mm]
杭長L [mm]
根入れ長さ [mm]弾性係数E [MPa]ポアソン比15011.7

相対載荷時間が大きいほど，すなわち，載荷時間内に応力が杭体を往復する回数が多いほど，杭体に生ずる波動現象の影響

12.212.8

アルミニウム30.04.0400.0
250.0
6.77×1040.345

図-3 地盤内における弾性係数の分布は小さくなる．衝撃載荷試験と急速載荷試験の境界を表す相対

4.2. 解析結果

載荷時間は Tr ＝5 である．

以下の図に解析結果を示す．ここでは，実地盤を模擬した飽和

縦波伝播速度はアルミ等の金属であれば5000 m/s 程度であ43砂における各載荷試験の模型実験結果と解析結果の比較を示る．杭の弾性係数6.77×10 MPa,，杭の密度2.70 g/cm を用いてす．急速載荷に関しては紙面の関係上，Case4(b)の結果を載せ値を求めると5007 m/s と近似している．

るものとする．
1.0t L を求めると，0.8 msec 以上となる．本模型実験の載荷時0.8Load [kN]

そこに， Tr = 5，模型杭の杭長L = 0.4 m を加えて載荷時間間は，概ね15 msec であった．
3. 実験結果

0.6
Case2 EXP
Case2 FEM

0.40.23.1. 各載荷模型実験結果
0.0以下の図に，各載荷模型実験試験結果を示す．
Case3(a)Case3(b)2.4

4.87.2
Displacement [mm]9.612.0

図-4 静的載荷における各地盤条件の荷重～変位関係

1.2
Case10.0

Case3(c)

1.0
1.2
1.0

0.60.8Load [kN]

Load [kN]

0.80.40.20.6

Case4(b) EXP
Case4(b) FEM

0.4

0.00.0

5.0

10.0
Displacement [mm]15.020.00.20.0

図-1 荷重～変位関係(乾燥砂地盤)
Case4(a)Case4(b)1.6

3.24.8Displacement [mm]6.48.0

図-5 動的載荷における各地盤条件の荷重～変位関係

1.2
Case20.0

Case4(c)

1.0

5. 結論

Load [kN]0.8

数値解析により，土－水連成を行ったFEM解析を用いて，本0.6

模型実験を荷重～変位関係をシミュレーションしたところ，高0.4
0.2
0.0

い精度での再現が出来た．これにより，杭基礎の変形予測に土0.0

5.010.0
Displacement [mm]15.020.0

図-2 荷重～変位関係(飽和砂地盤)－水連成FEMが有効であることが確認された．
急速載荷試験の解釈法として，FEM解析は有効であるといえ4. 急速載荷試験におけるFEMによる解釈手法の検討る．よって，急速載荷試験の結果からFEM解析で静的支持力を4.1. 模型地盤および模型杭のモデル化推定することが出来る．

静的載荷模型試験から，模型地盤の弾性係数を算出しそれにより，短時間での載荷試験で正確な支持力を把握するた．その値をもとに模型地盤をシミュレーションする．

ことができ，工期の短縮を図りつつ，安全な構造物の建設を行

地盤内における弾性係数分布を図
図-3 に示す．

うことが出来る．

杭体は降伏応力を超えない範囲で載荷されるため，杭材料の構成式には弾性の応力～ひずみ関係を用いれば十分である．必＜参考文献＞

1) 地盤工学会：杭の鉛直載荷試験方法・同解説，2002